森林流域水文过程研究进展

温林生，邹 芹，万媛媛，白天军

(1.江西农业大学林学院/鄱阳湖流域森林生态系统保护与修复实验室，江西 南昌 330045；2.江西庐山国家级自然保护区管理局，江西 九江 332900)

1 引言

流域，指由分水线所包围的河流集水区，分地面集水区和地下集水区两类。目前，全球温度上升、极端气候的增加，导致陆地水资源面临严峻挑战[1]。环境的变化与人类活动的加剧，导致众多流域内径流量、地下水发生了不同程度的变化，不同区域湖泊等生态环境遭受严重破坏[2]。越来越多的科学家聚焦于流域水文方面的研究。早在1963年，流域试验研究在IPH(国际水文计划)中被确定为核心内容之一，各国的水文试验等研究内容得到了进一步的交流，与此同时，并将陆地生态水文过程的研究(生态与水文过程的耦合)作为重点攻克的目标[2]。

早在20世纪50、60年代，我国各地相继组建了大量流域水文试验研究站，几十年来连续的观测为水文科学积累了宝贵的观测资料。基于流域水文通量(降水、径流、蒸散等)观测数据的联系及其规律，为更好的理解水文现象、规律提供了科学数据支持，为揭示流域水文过程与生态的耦合机制奠定了基础，对陆地淡水资源的管理与开发、水文过程循环及其驱动机理等研究方面具有重要的理论和实际意义[5]。随着社会的发展与科技的不断进步，流域水文的研究手段较传统流域水文发生巨大变化，研究内容也愈加深入。

本文将从森林流域水文的过程与研究方法入手，基于前人对流域水文的研究成果，综合分析，指出现有研究流域森林水文过程的机理研究等方面亟待解决的问题，为全面理解流域生态系统水循环及其对全球气候变化响应机制提供科学依据。

2 森林水文过程

森林是陆地生态系统的重要组成部分，与水相互影响、促进共同构成了森林生态系统、形成了独特的森林水循环[6, 7]。气候变化是水文过程改变的驱动因子，气候变化通过改变降雨、蒸发、径流和土壤含水量等水文变量，这些变化将导致水资源的时空再分配，进而影响水的供需平衡[8]；气候变化引发的区域水环境变化对森林生态系统产生显著影响[8]，并一定程度加大了森林与水的耦合机制及其尺度效应等复杂关联[10, 11]。气候变化作为水文过程背景以及起点，为正确理解森林覆盖变化或是说下垫面变化对特定范围内的时空尺度生态水文过程、水资源数量和水资源质量的影响增加了不少困难。降雨是森林生态系统的水文循环的起点，关乎径流产量及滞留[12]；降水格局的变化则会影响森林植物对水分的吸收利用[13]，但森林具备改善气候的能力也将影响局部降雨分布[14]，此外森林植被的地下部分通过根系吸水，森林植被地上部分通过叶面吸水以及气孔蒸腾等，这些生理活动都直接产生水文过程；森林植被也通过竖直方向的冠层截留、茎干液流以及枯落物的拦蓄和水平方向的群落不同形式的分布对降水、下渗、形成径流等过程产生直接的水文作用等形成森林调控水资源的动态平衡[15, 16]。

3 基于流域尺度对森林水文过程的研究方法

如图1所示，流域内的水文循环从降雨为起点，经历流域内的植被拦截、地被的拦蓄以及土壤的蓄渗，除却生态系统的存量，其余以地上径流与地下水的形式流出流域，与此同时，各个层次的蒸散时刻都在进行。

图1 森林流域水文过程

3.1 森林林冠截留过程理论与方法

降雨是森林水文循环的起点，降雨与后续的森林水文过程的发生具有密不可分的联系。降雨自天空滴落，在森林生态系统中最先发生的是森林冠层对降水的截留作用，林冠截留是影响森林流域径流产量平衡的重要因子。刁一伟等[17]研究发现，森林对降雨截留量与降雨总量的比值通常在10%～30%之间，但在某些地区由于森林植被的类型、林分密度、林分结构以及气象等原因，森林对降雨截留量与降雨总量的比值可达到50%[18]。森林截留量受到降雨特征、森林自身特性以及地形、海拔、坡度坡向调控，一般在流域尺度以模型模拟方法计算，通常分为经验模型、半经验模型以及理论模型(表1)[17, 19～22]。

表1 三类森林截留模型

3.2 森林蒸散理论与方法

蒸散在森林流域水文循环中是时刻发生的一个过程，在于植被层、枯落物层以及土壤层3个层均有发生。目前，森林蒸散的研究明显比农田蒸散研究滞后，因而对蒸散的研究大多理论与方法都以农田蒸散研究为基础的假设之上，但农田的假设与森林的假设具有较大的不一致性，导致人没有相对便准的方法，但也涌现出较多计算流域蒸散的方法与模型(表2)[23, 24]。

表2 森林蒸散理论与方法

3.3 土壤蓄渗过程理论与方法

土壤的蓄渗是流域水文循环的重要组成部分，也是森林涵养水源的主体，其重要性不言而喻。目前，已有较多的学者基于技术的进步而转向开发、利用相关模型来计算、模拟流域内土壤水分下渗的水文过程机制。土壤水分的蓄渗模型主要分为三类[17, 25]：物理模型(基于物质守恒原理和Darcy定律)；半经验模型(基于系统的方法，运用连续方程和下渗-积累下渗量的关系)；经验模型(基于实验和野外数据的统计分析)(表3)。

表3 土壤蓄渗过程理论与方法

4 森林与径流的关系

下垫面主要为森林流域内，产流量是森林涵养水源的直接体现，但森林与径流的关系一直是生态学与水文学领域的热点和难点问题，针对森林是否有利于增加径流产量至今仍存在较大争议[26-28]，现今主要存在森林对产流有积极、消极以及无显著作用3种观点[6, 27, 28]。

4.1 森林植被对径流流量的正向作用

张庆费[29]研究发现黑龙江旺河和呼兰流域的森林植被具有显著增加径流量，在东北地区还有Wang等[30]学者综合研究分析得出该地区的森林覆盖率和径流系数呈显著正相关(R2=0.77，P<0.05)；Chaves等[31]在亚马逊地区研究发现，森林砍伐后增强了河流对降雨的响应，增加了河流流量，Andréassian等[27]研究径流量、水文过程等方面与森林经营管理方式之间的关系得出：不同的林分类型对径流量的影响(如阔叶林与针叶林、灌木林、草地或农田等)；流域森林面积或是林分密度的改变对产水量的影响(如间伐、皆伐等)；林分结构改变对径流量的影响(林冠茂密程度、叶面积指数等)。

4.2 森林植被对径流流量的负向作用

刘卉芳[32]研究发现在流域地形地貌特征相似的条件下，森林植被具有减小流域雨季径流总量的作用，且流域径流量及径流过程还受到整地等人工措施影响。来自世界不同地区的许多研究表明，在小流域(<100 hm2)中，快速生长的人工林会降低水的产量，且土地利用变化可能对水产量产生的重要影响[33]。Hibbert[34]基于全球39个小流域的径流观测结果综合分析指出：流域产水量的增加与森林面积减少有关；在荒山地造林能有效减少径流量。

4.3 森林植被对径流产量无显著影响

李昌哲等[35]、王金叶等[36]分别在华北永定河支流地区、西北祁连山地区研究发现：森林覆盖率的改变与河川径流量无显著关联。Hornbeck 等[37]在美国的集水区径流量观测试验研究结果表明：森林的生长季与休眠季节对径流量有不一样的作用，森林生长季时期，森林采伐与径流量存在显著相关，然而，仅考虑休眠季节时，森林采伐与径流量几乎没有增加或减少的关联。Lewis等[38]对加利福尼亚州的流域进行砍伐处理(14%砍伐)，结果发现，该处理下的流域径流量无显著改变；Buttle等[39]也基于加拿大的某一流域森林进行采伐处理，研究结果表明该措施对径流量的影响极为有限。

5 结语

基于现对于森林流域水文过程的研究，大量的模型是模拟流域的水文过程的主要手段，但模型模拟与实测值终究存在一定的偏差，但以全过程的在森林流域生态系统中实测，仍存在较大的困难。模型或者是水文过程的参数修正是刻画森林流域的水文过程的手段之一；通过GIS等技术进行流域尺度的模拟将更加准确的衡量流域水文过程；以及结合氢氧同位素技术对森林水文过程的溯源刻画将更有利于正确理解森林流域水文过程机制。

目前，流域尺度的森林水文研究是全球主流的研究尺度，但如何将流域尺度外推于区域尺度乃至全球尺度，这是至今仍存在的问题。